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材料PK!特种塑料PPS和PEEK的优势对比;长短玻纤增强P

发布时间:2022-10-04 12:44:11 来源:火狐体育电竞官网 作者:火狐体育电竞官网直播

  近年来,特种工程塑料的应用已经逐渐从之前的军工和航空航天领域延伸到了越来越多的民用领域,例如汽车,装备制造,高端消费品等。其中,聚苯硫醚(PPS)和聚醚醚酮(PEEK)是发展比较迅速、应用领域范围较广的两种特种工程塑料。

  PEEK在强度、韧性、最高工作温度等方面都较PPS更优异,在耐高温方面,PEEK的耐温性比PPS高出约50℃。而另一方面,PPS相对明显的成本优势和更好的加工性能使其应用范围更加广泛。

  PPS是结晶型(结晶度55%-65%)的高刚性白色粉末聚合物,耐热性高(长期使用温度为200℃-220℃,短期可承受260℃的高温),是一种机械强度、刚性、难燃性、耐化学药品性、电气特性、尺寸稳定性都优良的树脂。

  耐磨、抗蠕变性优、阻燃性优,有自熄性。高温、高湿下仍保持良好的电性能。流动性好,易成型,成型时几乎没有缩孔凹斑。与各种无机填料有良好的亲和性。它的开发缩短了标准热塑性塑料材料(例如PA、POM、PET……)与高级工程塑料之间的差别。

  与PC和PA不同,PPS纯树脂及其玻纤/矿粉填充的复合材料在不添加任何阻燃剂的情况下,可以轻松达到V-0@0.8mm甚至更薄厚度的V-0阻燃级别。虽然PC和PA有着比PPS更便宜的价格和更好的力学强度(尤其是冲击强度),但是添加了无卤阻燃配方(V-0@0.8mm级别)的PC和PA复合材料的成本却会大幅上升,很多时候甚至高于具有同等力学强度的PPS材料。

  在笔记本盖板应用领域,这个优势相对PC更加明显。新一代超薄笔记本前盖板(厚度0.8-1mm)对于弯曲模量的要求往往高达15000 – 17000 MPa(ASTM标准)。但是在3C行业严格的成本控制压力下,配方设计师往往被要求选用成本更低廉的玻纤,而不是碳纤作为增强填料。而对于PC及其合金而言,其较差的流动性决定了玻纤添加量的上限一般不宜超过40 % (弯曲模量只可以达到10000 MPa,ASTM标准)。更高的添加量除了会严重影响材料的流动性造成加工困难外,还会产生表面浮纤,翘曲严重,力学性能变差等问题。而对于半结晶性的PPS而言,其非常高的流动性可以允许玻纤填充量轻松超过50 %,同时在高温熔融共混挤出的过程中,PPS相较于PC更低的粘度可以使玻纤经受较低程度的剪切和挤压,从而在最终注塑成型的制品中具有更长的保留长度,达到进一步提升模量的效果。

  这个优势主要是针对PA而言。就流动性而言,高填充的PA和PPS不相上下;而对于力学性能,同等填充量的PA复合材料还要更占优势。但是除了无卤阻燃的限制外,另一个制约PA应用的因素就是其较高的吸水率:相比高温尼龙PA6T 0.6%-1%的吸水率,PPS 0.03%的吸水率几乎可以忽略不计。由此带来的结果是PPS制品由于吸水变形而产生的产品不良率要比同等条件下的PA制品低得多。

  PPS注塑制件跌落桌面时,会发出PPS所独有的非常清脆的碰撞声。通过特制模具和合理模温的搭配,PPS注塑制件在人手的触碰下也会发出类似碰撞金属的声音,其表面也会如镜面般光滑,有着金属般的光泽。

  PEEK是一种综合性能优良的特种工程塑料,具有优良的耐热性能、耐化学腐蚀性能、耐辐射性能、电性能、阻燃性能等。 其分子链是由苯环和相连的酮基、醚基构成的一种聚合物,由苯环保证了PEEK材料具有很好的刚性,由醚键保证了PEEK具有很好的韧性,所以说,PEEK是韧性与刚性兼备的一款综合性的材料。

  可在250°C长期使用,瞬间使用温度可达300°C,在400°C短时间内几乎不分解。

  PEEK在高温下能保持较高的强度,200°C时的弯曲强度仍可达24 MPa, 250°C时的弯曲强度和压缩强度可达12~13 MPa,特别适于制造在高温下能连续工作的构件。PEEK的刚性高、尺寸稳定性好及线胀系数小,非常接近于金属铝。另外, PEEK还具有良好的耐蠕变性能,可以在使用期内承受极大的应力,不会因时间的延长而产生明显延伸。

  即使在高温下PEEK也能很好地抵抗大多数化学物质的腐蚀,耐腐蚀性与镍钢相近。在通常情况下唯一能溶解PEEK的是浓硫酸。

  可以抵御水或高压水蒸气产生的化学破坏。在高温和高压条件下,PEEK构件可在水环境中连续工作而仍能保持良好的力学性能。如在100°C的水中连续浸泡200天,强度几乎保持不变。

  可达到UL 94 V-0级,有自熄性,在火焰条件下释放的烟和有毒气体少。

  PEEK具有非常稳定的化学结构,在高剂量电离辐射下PEEK部件也可以正常工作。

  热塑性复合材料的树脂基体涉及通用和特种工程塑料,而PPS是特种工程塑料较为典型的代表,俗称“塑料黄金”。 性能优势包含以下几方面: 优异的耐热性能、良好的力学性能、耐腐蚀、自阻燃性达UL94 V–0级。 由于PPS具有以上性能优势,且相较于其它高性能热塑性工程塑料又具有易加工、成本低的特点,因此成为制造复合材料的优良树脂基体。

  PPS加短玻纤(SGF)复合材料具有强度高、耐热高、阻燃、易加工、成本低等优点,在汽车、电子、电气、机械、仪器、航空、航天、军事等领域取得了应用。

  PPS加长玻纤(LGF)复合材料具有高韧性、低翘曲、耐疲劳、良好的制品外观等优点,可用于热水器的叶轮、泵壳、接头、阀门、化工泵叶轮与外壳、冷却水叶轮与外壳、家电零部件等。

  那么短玻纤(SGF)和长玻纤(LGF)增强PPS的复合材料的性能具体有何差异呢?

  本文将PPS/SGF(短玻纤)复合材料和PPS/LGF(长玻纤)复合材料的综合性能进行对比,其中PPS/LGF复合材料采用熔融浸渍工艺制备及PPS/SGF复合材料采用熔融共混双螺杆造粒工艺制备,采用熔融浸渍工艺的原因在于浸渍模具内实现纤维束的浸渍,并且对纤维不造成损伤。最后,通过两者力学性能的数据对比,为应用端科技人员在选择材料时提供技术支撑。

  树脂基体中增加的增强纤维可形成支撑骨架,当复合材料受到外力作用时,增强纤维可以有效地承担外界载荷的作用;同时可以通过断裂、变形等方式吸收能量,提高树脂的力学性能。下图分别是不同玻纤含量的PPS/SGF和PPS/LGF复合材料的拉伸性能和弯曲性能。

  可以看到,提高玻纤的加入量,复合材料的拉伸强度和弯曲强度都逐步地增加。主要原因在于玻纤含量增加时,复合材料中有更多的玻纤承受外力的作用,同时由于玻纤数量的增加,使得玻纤之间的树脂基体变薄,更有利于玻纤增强框架的搭建;因此,玻纤含量提升使得复合材料在受到外加载荷情况下,应力更多的由树脂传递至玻纤,有效地提高了复合材料的拉伸和弯曲性能。

  PPS/LGF复合材料的拉伸和弯曲性能比PPS/SGF复合材料均更高,在玻纤质量分数为30%时,PPS/SGF和PPS/LGF复合材料的拉伸强度分别为110MPa和122MPa;弯曲强度分别为175MPa和208MPa;弯曲弹性模量分别为8GPa和9GPa。

  PPS/LGF复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲弹性模量比PPS/SGF复合材料分别提高了11.0%,18.9%和11.3%。PPS/LGF复合材料中玻纤的长度保留率更高,在同样玻纤含量条件下,复合材料的抗载荷能力更强,力学性能更佳。

  下图为PPS/LGF和PPS/SGF复合材料的缺口冲击强度和无缺口冲击强度。

  可见,在玻纤含量较低时,复合材料的冲击强度降低,主要原因是较低的玻纤含量无法在复合材料中形成较好的应力传递网络,使得玻纤在复合材料受到冲击载荷下以缺陷的形式存在,导致复合材料的整体冲击强度降低。

  上述缺陷是指玻纤尖端或者裂纹尖端;热塑性复合材料的失效的诱发点是玻纤尖端或者裂纹尖端,从此点开始蔓延至复合材料完全被破坏。玻纤质含量较少时,复合材料中增加了玻纤尖端,此时由于玻纤尖端引起复合材料断裂的作用要大于玻纤增强的作用,所以冲击性能会有一定程度的下降。

  随着玻纤含量的增加,复合材料中玻纤可以形成有效的空间网络,且增强作用大于玻纤尖端的作用,在受到外加载荷作用下更好地将外加载荷传递给增强纤维,进而提升复合材料的整体性能,而在PPS/LGF体系中玻纤的长度更长,空间网络更为密实,增强玻纤承载能力更强,其冲击强度也更佳。玻纤质量分数为30%时PPS/LGF比PPS/SGF的冲击强度提高19.4%,从31kJ/m2提升至37kJ/m2,缺口冲击强度提高54.5%(从7.7kJ/m2提高至11.9kJ/m2)。

  结果显示,玻纤的引入大幅度地提高复合材料的耐热性能,其中玻纤质量分数为30%时,PPS/SGF复合材料和PPS/LGF复合材料的热变形温度分别达到250℃和275℃,PPS/LGF复合材料的热变形温度比PPS/SGF复合材料的高10%。主要原因是玻纤的引入使复合材料内部形成增强纤维的网络骨架,极大地提高复合材料的耐热性能,PPS/LGF中玻纤尺寸更长,耐热性能提高优势更加明显。

  可见,玻纤在树脂中较好的分散,随着玻纤含量的增加,复合材料内部增强纤维网络的构建更加完善;这也是复合材料整体力学性能随着玻纤含量增加而提升的主要原因。对比PPS/SGF和PPS/LGF复合材料,PPS/LGF复合材料中的玻纤保留率更高,这也是PPS/LGF复合材料力学性能更为优异的主要原因。

  综上,PPS/LGF复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲弹性模量、缺口冲击强度和无缺口冲击强度比PPS/SGF复合材料均有提升。30%玻纤增强的PPS/SGF复合材料的热变形温度达到250℃,PPS/LGF复合材料的热变形温度达到275℃。

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